高性能的陰離子交換膜及其制造方法
【技術領域】
[0001]各個方面通常涉及陰離子交換膜，并且更特別地涉及具有增強的電化學性質的陰 離子交換膜。
[0002] 概述
[0003]根據一個或更多個方面，制造陰離子交換膜的方法可以包括：將叔胺單體與季銨 化試劑混合以產生官能單體；將交聯劑和溶劑與官能單體混合以形成單體溶液；和將單體 溶液澆鑄在聚合物微孔基材上以形成陰離子交換膜。
[0004] 根據一個或更多個方面，陰離子交換膜可以包括聚合物微孔基材和基材上的交聯 的陰離子交換聚合物層，膜具有小于約1. 5歐姆-cm2的電阻率和至少約95%的表觀選擇滲 透性。
[0005]根據一個或更多個方面，電化學分離裝置可以包括：至少一個陰離子交換膜，其具 有小于約1. 5歐姆-cm2的電阻率和至少約95%的表觀選擇滲透性。
[0006]下文詳細討論還其他方面、實施方案、和這些示例性方面和實施方案的優點。本文 公開的實施方案可以以與本文公開的原則中的至少一個一致的任何方式與其他實施方案 組合，并且提到的"實施方案"、"某些實施方案"、"可選擇的實施方案"、"多個實施方案"、"一 個實施方案"或類似物不一定是互相排斥的且被意圖指示：在至少一個實施方案中可以包 含描述的特定的特征、結構、或特性。在本文中這樣的術語的出現不一定全部指的是相同的 實施方案。
[0007] 附圖簡述
[0008]參考不被意圖按比例繪制的附圖，下文討論至少一個實施方案的多個方面。附圖 被包括以提供多個方面和實施方案的例證和另外的理解，且被包括在本說明書中并且組成 本說明書的一部分，但不被意圖作為本發明的限制的定義。在附圖、詳細描述或任何權利要 求中的技術特征后面是參考符號的情況下，參考符號被包括用于增加附圖和描述的可理解 性的唯一目的。在附圖中，由相同的數字代表在多個附圖中例證的每個相同的或幾乎相同 的部件。為了清楚的目的，可以不在每個圖中標記每個部件。在附圖中：
[0009] 圖1呈現根據一個或更多個伴隨的實施例使用的電化學測試單元的示意圖。
[0010] 圖2呈現圖1的電化學測試單元的電極的示意圖。
[0011] 詳細描述
[0012]使用電場來凈化流體的裝置通常用于處理含有溶解的離子物質的水和其他液體。 以這種方式處理水的兩種類型的裝置是電去離子裝置和電滲析裝置。通過離子交換膜分開 的濃縮隔室和稀釋隔室在這些裝置內。電滲析裝置通常包含交替的電活性的半滲透性陰離 子和陽離子交換膜。介于膜之間的空間被配置成產生具有進口和出口的液體流動隔室。經 由電極施加的應用電場引起被吸引至其相應的對電極的溶解的離子遷移通過陰離子和陽 離子交換膜。這通常導致稀釋隔室中的液體耗盡離子并且濃縮隔室中的液體富集被轉移的 離子。
[0013] 電去離子（EDI)是使用電活性介質和電勢從水中除去或至少減少一種或更多種 電離的或可電離的物質以影響離子傳輸的工藝。電活性介質通常用于交替地收集和排放離 子的和/或可電離的物質，并且在某些情況下，用于促進可以連續地通過離子或電子替代 機制的離子傳輸。EDI裝置可以包括具有永久或臨時的電荷的電化學活性介質，并且可以分 批、間歇地、連續地、和/或甚至以反極性模式操作。可以操作EDI裝置以促進被特別設計 成實現或增強性能的一個或更多個電化學反應。此外，這樣的電化學裝置可以包括電活性 膜，比如半滲透性或選擇性滲透性離子交換膜或雙極性膜。
[0014] 連續電去離子（CEDI)裝置是本領域的技術人員已知的EDI裝置，CEDI裝置以 其中可以連續地進行水的凈化同時連續地再填充離子交換材料的方式操作。CEDI技術可 以包括諸如連續的去離子、填充電池電滲析（filled cell electrodialysis)、或電滲透 (electrodiaresis)的工藝。在控制的電壓和鹽度條件下，在CEDI系統中，可以將水分子裂 解以產生氫或水合氫離子或物質和氫氧化物或羥基離子或物質，這可以使裝置中的離子交 換介質再生并且因此促進從其中釋放捕獲的物質。以這種方式，可以連續地凈化待被處理 的水流而不需要化學再填充離子交換樹脂。
[0015] 除了 ED裝置通常不含有介于膜之間的電活性介質之外，電滲析（ED)裝置以類似 于CEDI的原理操作。由于沒有電活性介質，ED在低鹽度的給水上的操作可能受阻礙（因 為高的電阻）。此外，因為ED對高鹽度給水的操作可以導致高的電流消耗量，迄今為止，ED 設備一直被最有效地用在中間鹽度的源水上。在基于ED的系統中，因為沒有電活性介質， 裂解水是效率低的，并且通常避免以這樣的方案操作。
[0016] 在CEDI和ED裝置中，通常通過選擇性滲透膜將多個相鄰的單元或隔室分開，所述 選擇性滲透膜允許帶正電荷的物質或帶負電荷的物質通過但通常不允許兩者都通過。在這 樣的裝置中，通常用濃縮（concentrating)或濃縮（concentration)隔室隔開稀釋隔室或 消耗隔室。在某些實施方案中，電池對可以指的是一對相鄰的濃縮隔室和稀釋隔室。隨著水 流經消耗隔室，通常在電場比如DC場的影響下將離子和其他帶電物質吸引到濃縮隔室內。 帶正電荷的物質被吸引向通常位于多個消耗隔室和濃縮隔室堆疊的一端的陰極，并且同樣 地，帶負電荷的物質被吸引向這樣的裝置的通常位于隔室堆疊的相對端的陽極。通常將電 極容納在電解質隔室內，通常使所述電解質隔室與消耗隔室和/或濃縮隔室流體連通地部 分地分離。一旦在濃縮隔室內，帶電物質通常通過至少部分地界定濃縮隔室的選擇性滲透 膜的屏障被捕獲。例如，通常通過陽離子選擇性膜防止陰離子另外向陰極遷移，離開濃縮隔 室。在被捕獲在濃縮隔室內后，可以在濃縮物流中除去捕獲的帶電物質。
[0017] 在CEDI和ED裝置中，通常從被應用于電極（陽極或正極，和陰極或負極）的電壓 和電流的來源將DC場應用于電池。電壓和電流的來源（共同地為"電源"）自身可以通過 多種手段驅動，比如AC電源，或例如，來源于太陽能、風能、或波浪能的電源。在電極/液體 界面處，發生引發和/或促進離子轉移通過膜和隔室的電化學半電池反應。可以通過容納 電極組件的專門隔室內的鹽的濃度，在某種程度上控制在電極/界面處發生的特定的電化 學反應。例如，對高氯化鈉的陽極電解質隔室供給將傾向于產生氯氣和氫離子，然而對陰極 電解質隔室的這樣的供給將傾向于產生氫氣和氫氧化物離子。通常，在陽極隔室處產生的 氫離子將與游離的陰離子比如氯離子締合，以保持電荷中性并且產生鹽酸溶液，并且類似 地，在陰極隔室處產生的氫氧化物離子將與游離的陽離子比如鈉締合，以保持電荷中性并 且產生氫氧化鈉溶液。電極隔室的反應產物比如產生的氯氣和氫氧化鈉可以被用于如消毒 目的、膜清潔和除污目的、和pH調節目的所需要的工藝。
[0018]板和框架以及螺旋卷繞的設計一直被用于多種類型的電化學去離子裝置，包括但 不限于電滲析（ED)裝置和電去離子（EDI)裝置）。市售的ED裝置通常具有板和框架的設 計，然而EDI裝置是以板和框架以及螺旋構造兩者可用的。
[0019]一個或更多個實施方案涉及可以被用于電氣地凈化流體的裝置的離子交換膜的 組成、以及其制造方法和用途。
[0020] 電化學分離系統用于產生用于制藥工業和半導體工業的超純水，用作反向電滲析 中的發電來源，用作燃料電池中的隔離物，用于在電鍍和金屬精整加工工業中回收金屬離 子，并且用于包括食品和飲料工業的多種其他應用中。然而，在離子交換膜的最重要的應用 之中的是通過電化學方法使海水脫鹽。
[0021] 傳統上通過壓力驅動方法使海水脫鹽，并且最通常地通過反滲透完成。然而，海水 反滲透需要大量地預處理給水且是能源密集型工藝。因為需要較少的預處理，電化學脫鹽 具有優于反滲透的優點。雖然電化學方法經常用于處理半咸水和廢水，但仍然認為電化學 方法對于海水脫鹽是成本太高的。
[0022] 海水具有約35, 000百萬分率（ppm)的總溶解固體含量。海水中的大多數溶解的 固體是氯化鈉，并且因此處理海水主要地涉及除去單價離子。然而，反滲透膜通常優先地除 去二價離子并且因此在處理海水上比選擇性地除去單價離子的膜是更少有效的。因為單價 選擇性膜可以被用于處理海水，電化學脫鹽可以具有優于反滲透脫鹽的優點。
[0023] 可以將離子交換膜制造成是離子選擇性的。例如，可以從特定的前體制造膜，使得 產生的膜優先地從處理水中除去某些離子。某些工業需要具有特別低的濃度的特定離子的 水。例如，用于煉油廠商業的注水必須具有非常低的硫酸鹽值，并且半導體和制藥工業需要 具有非常低的濃度的硼和二氧化硅的超純水。因此，制造離子選擇性膜是高度合意